本發(fā)明屬于冶金鑄造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鑄坯定向凝固和區(qū)域選擇冷卻的組合式水冷鑄模。

背景技術(shù)：

有色及黑色金屬的近終成形連鑄坯，由于其生產(chǎn)效率、成材率、產(chǎn)品質(zhì)量、自動(dòng)化程度及節(jié)能減排等方面的優(yōu)勢得到迅猛發(fā)展，近幾年整合鑄造與軋制工藝于一體的雙輥鑄軋技術(shù)尤為典型代表，而連鑄比隨之成為衡量各國連鑄技術(shù)水平和連鑄裝備制造能力的指標(biāo)之一。冶金大環(huán)境下形成各國重連鑄輕模鑄的趨勢，模鑄研究和應(yīng)用比重小，設(shè)計(jì)能力和系統(tǒng)創(chuàng)新缺乏。但連鑄還不能滿足核電、高鐵、軍工等領(lǐng)域特厚鑄坯的特殊需求，例如ITER核輻射屏蔽塊及托卡馬克冷卻壁、核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、航母甲板鋼、高溫高壓容器鋼及高層建筑防震厚板鋼，仍依靠具有大鍛造比、大單重、小批多樣特點(diǎn)的模鑄。

由于對(duì)大單重鑄坯超聲探傷、偏析程度、晶粒度、力學(xué)性能及均勻性要求的提高，單重50t以上鑄鍛件已出現(xiàn)生產(chǎn)難題。普遍存在凝固組織致密性較低，中心疏松縮孔密集、探傷合格率低等亟待解決的問題。究其原因是重量增加，截面尺寸相應(yīng)增大，冷卻強(qiáng)度和凝固速率降低，中心晶粒粗大，組織疏松，并在高度方向上V型補(bǔ)縮通道變窄，補(bǔ)縮距離變大，夾雜物不易上浮，且肩部組織倒V偏析，上部縮孔嚴(yán)重。

實(shí)現(xiàn)鑄坯底部先凝固，冒口后凝固的自下而上的定向凝固難點(diǎn)在于加強(qiáng)底部冷卻，側(cè)壁保溫和冒口發(fā)熱，旨在高度方向建立一維大梯度溫度場。側(cè)壁保溫有利于建立一維大梯度溫度場，但該條件下合金液凝固速率降低很多，停留在固液兩相區(qū)時(shí)間長，枝晶有充足時(shí)間長大，液相被主枝晶臂分割封閉，且主枝晶和二次枝晶臂相互搭接成狹小空間，得不到液相補(bǔ)充，形成密集縮松甚至發(fā)生微觀偏析。而對(duì)于錠型高度大于平均直徑錠型，底部水冷卻能力有限，當(dāng)下部已凝鑄坯的熱阻大于模壁熱阻，水平溫度梯度增大并超過垂直溫度梯度，中上部鋼水在水平方向的熱流密度開始大于豎直方向熱流密度，這種二維傳熱模式不利于定向凝固。中國專利公布號(hào)CN 201168769 Y公開了一種定向凝固水冷錠模，整個(gè)側(cè)壁纏繞布置冷卻水管，并配合水冷底盤加快冷卻速度，柱狀晶在垂直模壁和底盤二維方向凝固。該凝固模式下柱狀晶相向生長并在鑄錠中心搭接，縮孔縮松主要集中在鑄錠中心。一維定向凝固的縮孔縮松主要集中在冒口內(nèi)，這與自底向上的一維定向凝固完全不同。日本專利昭60-33852公開了水冷底盤和四周水冷動(dòng)模整體冷卻并補(bǔ)償氣隙的扁錠模鑄工藝，該發(fā)明冷卻強(qiáng)度和均勻性比自然冷卻大幅提高，得到致密的扁坯。但單獨(dú)提高冷卻強(qiáng)度只能提高冷卻強(qiáng)度，定向凝固有可能終止，不能完全提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。中國專利公布號(hào)CN 102161079 A公開了一種水冷底盤和四周水冷動(dòng)模組合式鑄模，并采用大壓下技術(shù)消除氣隙，并有效改善和消除寬厚板坯中心縮松、偏析和縮孔，但對(duì)圓坯無法借助周圍動(dòng)模和大壓下技術(shù)設(shè)計(jì)鑄模。

提高冷卻強(qiáng)度和側(cè)壁保溫是相互對(duì)立的，目前還沒有經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)把兩者統(tǒng)一起來，所以有必要設(shè)計(jì)出在快速強(qiáng)制冷卻條件下實(shí)現(xiàn)圓坯的自下而上定向凝固，最終得到致密的結(jié)構(gòu)組織和優(yōu)異性能的合金材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)定向凝固、并提高冷卻強(qiáng)度的組合式水冷鑄模。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種鑄坯定向凝固和區(qū)域選擇冷卻的組合式水冷鑄模，包括底盤、設(shè)于所述底盤上的鑄模本體及設(shè)于所述鑄模本體上的熱補(bǔ)縮冒口，其特殊之處在于，所述底盤包括下底盤及上底盤，所述上底盤內(nèi)設(shè)有冷卻空腔，所述上底盤上設(shè)有與所述冷卻空腔相連通的進(jìn)水口及出水口；

所述鑄模本體外圍為直筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)為倒置圓臺(tái)結(jié)構(gòu)，包括上半部和下半部，所述上半部的外圍設(shè)有中空保溫層，所述下半部的外圍設(shè)有多道相互獨(dú)立的冷卻水道；

所述熱補(bǔ)縮冒口呈環(huán)臺(tái)結(jié)構(gòu)，所述環(huán)臺(tái)的大直徑端扣接在所述鑄模本體的上端，便于扣接對(duì)中本體上端設(shè)置凸臺(tái)止口。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明的鑄模實(shí)現(xiàn)鑄坯自下而上強(qiáng)制冷卻和定向凝固，避免垂直模壁和無方向性生長的柱狀晶過度發(fā)達(dá)而使其垂直底盤生長，消除了中心縮松、V型偏析問題，得到晶粒細(xì)化、超聲檢測晶粒均勻、凝固組織致密均勻無缺陷的大單重鑄鍛坯，超聲波探傷合格率提高。

2、本發(fā)明打破常規(guī)錠模設(shè)計(jì)理念，鑄模本體上半部為中空保溫結(jié)構(gòu)，鑄模本體下半部的冷卻水道和底盤水冷，可對(duì)鑄模不同區(qū)域分段選擇性冷卻，兼顧建立一維溫度場和高冷卻強(qiáng)度，鑄坯顯熱及潛熱90％以上自底盤傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)定向凝固。

3、本發(fā)明使用熱補(bǔ)縮冒口，內(nèi)部設(shè)有的熔融玻璃層、發(fā)熱劑層和覆蓋層，使得縮孔區(qū)主要集中在熱補(bǔ)縮冒口部分，提高了熱補(bǔ)縮冒口內(nèi)的實(shí)心高度，減少鑄坯切頭切尾占比。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。

進(jìn)一步，所述上底盤為鈹鈷銅或紫銅材質(zhì)，在所述冷卻空腔內(nèi)設(shè)有相互交錯(cuò)的阻流板。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，鈹鈷銅或紫銅材質(zhì)能夠降低熱集中區(qū)溫度，快速均勻冷卻鑄坯，熱傳導(dǎo)性比模具鋼優(yōu)越3～4倍；阻流板能夠增加換熱面積，提高水速和對(duì)流換熱系數(shù)，使合金液釋放的絕大部分熱量通過底盤傳導(dǎo)。

進(jìn)一步，所述熱補(bǔ)縮冒口外殼為鑄鐵，內(nèi)層由耐火磚砌筑而成，內(nèi)部至下而上依次設(shè)有熔融玻璃層、發(fā)熱劑層和覆蓋層。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，發(fā)熱劑燃燒將熱補(bǔ)縮冒口內(nèi)合金液加熱，減小熱補(bǔ)縮冒口與合金液間的溫度梯度，延緩該部分合金液凝固時(shí)間，提供補(bǔ)縮通道暢通和足夠的補(bǔ)縮合金液；發(fā)熱劑氧化放熱使冒容合金液凝固時(shí)間比鑄坯凝固時(shí)間稍長，發(fā)熱劑燃燒最高溫度大于合金液液相線溫度；熔融玻璃層能有效阻隔發(fā)熱劑成分污染合金液，有效吸附熱補(bǔ)縮冒口中上浮雜質(zhì)，并使合金液與大氣隔絕；覆蓋層為煅燒紅木炭，起保溫和阻止大氣中O₂、N₂、H₂等進(jìn)入合金液的作用；借助熱補(bǔ)縮冒口的發(fā)熱劑的氧化放熱作用，冒容合金液凝固時(shí)間大于鑄坯凝固時(shí)間，冒容合金液最后凝固，提供凝固補(bǔ)縮液。

進(jìn)一步，所述熔融玻璃層由80wt％鈉硅鈣玻璃和20wt％硼酸酐組成。

進(jìn)一步，所述熔融玻璃層的厚度為10-20mm，或控制用量為每噸鑄錠加入1-1.2kg熔融玻璃。

進(jìn)一步，所述發(fā)熱劑層由鋁粉、氧化劑和粘結(jié)劑組成。

更進(jìn)一步，所述發(fā)熱劑層包括10-15wt％鋁粉、10-15wt％Al₂O₃、10-15wt％C、20-30wt％Fe₂O₃、5wt％NaNO₃、5wt％KNO₃及余量的水玻璃和黏土，用量為每噸鑄錠加入1-2kg。。

進(jìn)一步，所述覆蓋層為煅燒紅木炭。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，起到保溫和阻止大氣中O₂、N₂、H₂等進(jìn)入合金液的作用。

進(jìn)一步，所述的中空保溫層內(nèi)填充有鋯陶瓷板和石棉氈；所述鑄模本體下半部的外圍設(shè)有三道相互獨(dú)立的冷卻水道，包括第一側(cè)壁水道、第二側(cè)壁水道和第三側(cè)壁水道。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，中空保溫層能夠延長鑄模本體上半部和熱補(bǔ)縮冒口內(nèi)合金液的凝固時(shí)間；多道側(cè)壁水冷兼顧提高冷卻強(qiáng)度和定向凝固的雙重作用；當(dāng)鑄坯下半部分凝固以后，上底盤的水冷作用逐漸不明顯，不能對(duì)鑄坯上半部未凝部分起到強(qiáng)制冷卻作用，傳熱模式由一維傳熱漸變?yōu)槎S傳熱，豎直方向的溫度梯度逐漸減小，不再繼續(xù)滿足定向凝固條件。隨凝固前沿上移，打開冷卻水道閥門，采取先分段供水、后全段供水的方式。第一側(cè)壁水道以下合金液凝固以后，打開第一側(cè)壁水道的閥門，由自然冷卻改為強(qiáng)制冷卻，其高度以上合金液繼續(xù)在高強(qiáng)度冷卻下實(shí)現(xiàn)定向凝固；隨凝固前沿上移逐步移至第二側(cè)壁水道以上，之后打開第二側(cè)壁水道的閥門,待冒容合金液凝固時(shí)，打開第三側(cè)壁水道的閥門。合金液未凝部分的傳熱傳質(zhì)始終為向凝固模式，且下半部完成凝固后，側(cè)壁水冷不再改變其凝固組織形貌。該情況下側(cè)壁水冷起到與水冷銅底盤同樣的傳熱作用。鑄坯水冷銅底盤和側(cè)壁水冷提高冷卻強(qiáng)度作用下，鑄坯中粗大枝晶得到抑制，減少微觀偏析、并細(xì)化晶粒。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為為上底盤的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為雙色紅外測量熱補(bǔ)縮冒口外壁和鑄模本體下半部外壁的溫度變化曲線；

圖4為自然冷卻NARloy-Z晶粒均勻度超聲檢測結(jié)果；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中NARloy-Z晶粒均勻度超聲檢測結(jié)果；

圖6為自然冷卻Cu-Cr-Zr晶粒均勻度超聲檢測結(jié)果；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例2中Cu-Cr-Zr晶粒均勻度超聲檢測結(jié)果；

圖中，1、上底盤；2、下底盤；3、鑄模本體；4、冷卻空腔；5、進(jìn)水口；6、出水口；7、熱補(bǔ)縮冒口；8、中空保溫層；9、阻流板；10、耐火磚；11、熔融玻璃層；12、發(fā)熱劑層；13、覆蓋層；14、第一側(cè)壁水道；15、第二側(cè)壁水道；16、第三側(cè)壁水道；17、鑄錠。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

一種鑄坯定向凝固和區(qū)域選擇冷卻的組合式水冷鑄模，包括底盤、設(shè)于所述底盤上的鑄模本體3及設(shè)于所述鑄模本體上的熱補(bǔ)縮冒口7，其特殊之處在于，所述底盤包括下底盤2及上底盤1，所述上底盤內(nèi)設(shè)有冷卻空腔4，所述上底盤上設(shè)有與所述冷卻空腔相連通的進(jìn)水口5及出水口6；

所述鑄模本體外圍為直筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)為倒置圓臺(tái)結(jié)構(gòu)，包括上半部和下半部，所述上半部的外圍設(shè)有中空保溫層8，所述下半部的外圍設(shè)有三道相互獨(dú)立的冷卻水道，包括第一側(cè)壁水道14、第二側(cè)壁水道15和第三側(cè)壁水道16；

所述熱補(bǔ)縮冒口呈環(huán)臺(tái)結(jié)構(gòu)，所述環(huán)臺(tái)的大直徑端扣接在所述鑄模本體的上端，所述熱補(bǔ)縮冒口外殼為鑄鐵，內(nèi)層由耐火磚10砌筑而成，內(nèi)部至下而上依次設(shè)有熔融玻璃層11、發(fā)熱劑層12和覆蓋層13；

所述上底盤為鈹鈷銅或紫銅材質(zhì)，在所述冷卻空腔內(nèi)設(shè)有相互交錯(cuò)的阻流板9；

所述熔融玻璃層由80wt％鈉硅鈣玻璃和20wt％硼酸酐組成；

所述發(fā)熱劑層包括10-15wt％鋁粉、10-15wt％Al₂O₃、10-15wt％C、20-30wt％Fe₂O₃、5wt％NaNO₃、5wt％KNO₃及余量的水玻璃和黏土，用量為每噸鑄錠加入1-2kg；

所述覆蓋層為煅燒紅木炭；

所述的中空保溫層內(nèi)填充有鋯陶瓷板和石棉氈。

如圖3所示，由于使用發(fā)熱劑，熱補(bǔ)縮冒口在較長一段時(shí)間內(nèi)溫度幾乎保持不變，可以保證內(nèi)部合金液最后凝固；鑄模本體下半部外壁由于合金液顯熱和潛熱被鑄模吸收，溫度先升高，經(jīng)過較短時(shí)間達(dá)到峰值，之后鑄坯在水冷作用下快速降溫，最先完成凝固。可以把紅外測溫結(jié)果峰值出現(xiàn)的時(shí)間作為依次打開三組側(cè)壁水道的時(shí)間判據(jù)。

實(shí)施例1

將組合式水冷鑄模置于真空澆鑄室的升降臺(tái)上，抽真空至10Pa以下，用石墨坩堝將電解銅升溫至1200℃，待坩堝內(nèi)金屬熔化后加入純銀和海綿鋯，熔化溫度繼續(xù)升溫至1300-1350℃，調(diào)整成分后得到NARloy-Z合金(Cu-3％Ag-0.5％Zr)液，降溫并靜置至1150-1200℃真空澆鑄，隨液面升高緩慢降低升降臺(tái)，保證浸入水口始終在液面以下，防止合金液飛濺到內(nèi)模壁。待澆鑄末尾通過加料斗加入配制的熔融玻璃，隨即加入配制的發(fā)熱劑，最后加入覆蓋劑。

上澆注開始之前5～10分鐘打開進(jìn)水口，使上底盤和下底盤降到較低的溫度。合金液通過浸入式水口上澆入鑄模本體內(nèi)，上底盤內(nèi)部冷卻水道被阻流板隔斷，提高冷卻水達(dá)到12m/s左右。通過紅外測溫儀測量第一側(cè)壁水道和第二側(cè)壁水道之間的模壁溫度，根據(jù)溫度曲線打開第一側(cè)壁水道，設(shè)計(jì)水速10～12m/s左右。根據(jù)紅外測溫逐步打開第二側(cè)壁水道和第三側(cè)壁水道，提高鑄坯上部和冒容合金液的冷卻強(qiáng)度，使熱量絕大部分通過上底盤傳導(dǎo)，并建立定向凝固溫度場。

NARloy-Z鑄錠經(jīng)過固溶-時(shí)效強(qiáng)化后的高倍組織顯示基本觀察不到二次縮孔，低倍組織顯示柱狀晶有明顯的方向，錠坯中心無明顯縮松，凝固組織致密均勻。對(duì)比圖4中的自然冷卻錠坯，圖5中本實(shí)施例的晶粒細(xì)化更加均勻，所用超聲波探傷儀探頭型號(hào)為2.5P20，頻率2.5MHz，聲強(qiáng)46dB，信噪比10-20％?？s孔集中在熱補(bǔ)縮冒口上部，熱補(bǔ)縮良好，熱補(bǔ)縮冒口實(shí)心高度在60～70mm，最大高度80mm。NARloy-Z合金鑄錠熱處理后表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫拉伸性能、抗高溫高周疲勞能力和抗蠕變能力。

實(shí)施例2

將組合式水冷鑄模置于真空澆鑄室的升降臺(tái)上，抽真空至10Pa以下，用石墨坩堝將電解銅，升溫至1200℃，待坩堝內(nèi)金屬熔化后加入純銀和海綿鋯，熔化溫度繼續(xù)升溫至1300-1350℃，調(diào)整成分后得到Cu-Cr-Zr合金(Cu-0.65％Cr-0.1％Zr)液，降溫并靜置至1220-1250℃真空澆鑄，隨液面升高緩慢降低升降臺(tái)，保證浸入水口始終在液面以下，防止合金液飛濺到內(nèi)模壁。待澆鑄末尾通過加料斗加入配制的熔融玻璃，隨即加入配制的發(fā)熱劑，最后加入覆蓋劑。

上澆注開始之前5～10分鐘打開進(jìn)水口，使上底盤和下底盤降到較低的溫度。合金液通過浸入式水口上澆入鑄模本體，上底盤內(nèi)部冷卻水道被阻流板隔斷，提高冷卻水達(dá)到12m/s左右。通過紅外測溫儀測量第一側(cè)壁水道和第二側(cè)壁水道之間的模壁溫度，根據(jù)溫度曲線打開第一側(cè)壁水道，設(shè)計(jì)水速10～12m/s左右，根據(jù)紅外測溫逐步打開第二側(cè)壁水道32和第按側(cè)壁水道33，提高鑄坯上部和冒容合金液的冷卻強(qiáng)度，使熱量絕大部分通過上底盤傳導(dǎo)，并建立定向凝固溫度場。

如圖7所示，超聲檢測結(jié)果表明晶粒均勻度對(duì)比自然冷卻錠坯(圖6)更加細(xì)化均勻。通過本實(shí)施例獲得的鑄錠表面和內(nèi)部質(zhì)量都有很大程度的提高，主要表現(xiàn)在：1、鑄錠表面細(xì)晶區(qū)厚度增加，晶粒尺寸減小，且柱狀晶生長方向性增強(qiáng)，錠坯中心無明顯縮松，凝固組織致密均勻，所用超聲波探傷儀探頭型號(hào)為2.5P20，頻率2.5MHz,聲強(qiáng)46dB，信噪比10-20％；2、同狀態(tài)下Cu-Cr-Zr合金抗拉強(qiáng)度提高了10-30MPa、斷后延伸率增加10-20％、硬度和沖擊韌性等性能也都有很大程度提高；3、減小了冒口部分比例，減少了鑄件切頭切尾率，并且通過該技術(shù)實(shí)施對(duì)延長模具壽命和提高生產(chǎn)效率起到關(guān)鍵作用。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。